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本帖最后由 GavinLiang 于 2019-11-5 03:48 编辑
汽轮机跳闸负荷计算（气锤计算） 汽轮机跳闸指的是由于机组主要保护动作，造成机组主汽门和调门关闭，切断进气停止运行的过程。汽轮机跳闸主要原因有：电气引起跳闸因该有报警；出现接地还有外界信号干扰等导致保护误动跳机；误动作以及电气的发电机主保护；外网引起的甩负荷超速等。通常正常的启动和关机过程中，负荷的增加或减少是逐渐进行的，这样可以避免管道系统蒸汽或者电路产生瞬间的变化。然而，当电路因为某种情况跳闸，负荷会瞬间消失，这种情况下，汽轮机的主进气口阀门会瞬间关闭，不然汽轮机会高速运转，这相当危险。即使是蒸汽箱和进气管道的残余蒸汽，也有足够的动力将汽轮机驱动到危险的速度。
当主汽口阀门关闭瞬间，蒸汽流动减慢甚至停止，此时会产生压力波。这其实就是水锤产生的基本原理，对于蒸汽管线来说，我们x i惯把这种现象称为气锤现象。压力波会在整个管道系统中传递，产生冲击力，同时管道内的压力上升。冲击力会让蒸汽管线产生振动和巨大的噪声。因为蒸汽具有很高的可压缩性，所以汽机阀关闭产生的冲击力没有液体管道那么严重。直到1960年，出现了蒸汽管线的支架被气锤破坏的现象，气锤才开始引起重视。气锤的理论研究文章最早发表于1966年，从那时开始，气锤分析正式包括在管道设计以内。
根据水锤理论，管道内流体速度的突然降低，由于惯性的作用，导致压力突然升高。这个压力的升高会产生压力波，压力波以声速往管道的上游传播。速度的降低与压力的上升有一个关系，如下：
流体速度虽然降低幅度很大，但它并不是真正在瞬间发生的，变化的快慢取决于关阀的时间。因此，如图12.21所示，在整个关阀过程中，可以将速度和压力的变化分成一系列的时间段， 对应 ， 对应 等等。总的压力变化发生在阀门完全关闭的瞬间： 汽轮机跳闸典型的压力升高在运行压力的10%到15%。高压主蒸汽的压力升高率较低，低压再热蒸汽的比例较高。尽管阀门完全关闭后，压力还有升高的趋势，如图虚线。但通常计算时会把这部分忽略掉。因为这部分的值不通过详细的水力学计算是很难得到的。
还有一点要说一下，压力波以声速在管道内部传播，当压力上升，流体的密度和温度也会上升，这也使流体中的声速增大，最终导致压力波头波的堆积。不管怎样，这些变化都是很小的，忽略掉密度和温度的变化，声速按照流体的正常值考虑。在蒸汽管线的分析中，也通常略掉因为流速变化产生的动量变化影响。因此，冲击力纯粹的来源于压力的变化。这样冲击力的计算就很简单了，就是PA。 密度可以根据压力和温度求得，流速由质量流量和密度求得，声速在前面讲过，可以根据比热比k=1.28求得。
冲击力的时间历程跟压力变化的时间历程一致。跟安全阀的排气反力一样，只不过蒸汽锤的力是 ，安全阀是开阀过程，气锤是关阀而已。有效关阀时间 可取阀门厂商提供的时间的75%。原因在安全阀文章中已做过介绍。由于阀门关闭时间决定了每个管段的净冲击力，因此准确的关阀时间对于准确估计管段冲击力至关重要。 要计算气锤的冲击力，相当于我们要找出每段管子两端的冲击力，然后由两端冲击力之差得到不平衡载荷，这与封闭式安全阀排气系统计算是类似的。差别在于，安全阀的冲击力是实际流体冲击产生的，而气锤力是压力波产生的。压力波的特征是向前传输遇到障碍会反弹，每次反弹，能量减少，冲击力变小，来回反弹多次直至衰减到0。我们在分析时只考虑第一次反弹的压力波，其它的都忽略。
我们还是用理想的冲击曲线来计算，如图12.22。图中表述了每个点压力波的时间历程曲线。拿1点举例，压力线性升高直到阀门完全关闭，在 的时候达到最大，最大值持续到反弹回来的压力波头到达1点。压力波到达锅炉的时间是 。然后反射波就产生了，由于摩擦和出口损失，反射波以略小于原始波大小的负压反弹，再经过 到达1点。然后1点的压力开始降低，最终1点的冲击力时间历程曲线如实线所示。当然，越往后的点，冲击波作用的时间是越靠后的。如4点，正向冲击波还没达到最大，反射波已经回来了，相互抵消的情况下，4点冲击力从没达到最大。
接下来就是找出同一管段的两个端点冲击力的差值，如图中的阴影部分，这就是我们要找的不平衡力。它让管道发生振动。最大的不平衡力 还是取决于管段的长度，如果管段长度长到声速传播时间大于关阀时间，最大冲击力就为 。如果管段长度短于声速与关阀时间之积，最大不平衡力计算如下： 是i到j之间的管段。这跟安全阀计算一样。从上面的式子可以看出， 的大小取决于 的大小，如果管段很短，不平衡冲击力就很小，分析的时候可能就会不考虑了。
得到不平衡力，我们就可以选择两种方式来对管道进行分析了。一是用静态分析方法，找到DLF进行分析，但是必须注意，选择静态分析方法必须假定所有管段上的不平衡冲击载荷同时发生。也可以通过时间历程分析方法，将每点的实际冲击力时间历程添加进去进行分析，具体分析方法将在下文中慢慢展开。
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